Báo cáo thực tập hóa phân tích bài 4 phương pháp quang phổ nguyên tử phương pháp phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN, ĐHQG – HCM
KHOA HĨA HỌC
BỘ MƠN HĨA PHÂN TÍCH
..............

BÁO CÁO THỰC TẬP HĨA PHÂN TÍCH

BÀI 4 :PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ:
PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA

Sinh viên thực tập – MSSV:
Phạm Nhật Khuyên
Ngô Nguyệt Nhi
Nguyễn Thị Thùy Trang – 20140416
Đỗ Thị Cẩm Tú
Ngày thực tập : Thứ tư, 21 – 12 - 2022


Tp.Hồ Chí Minh , tháng 12 – 2022
I.

Giới thiệu chung

1.

Nguyên tắc:
Phương pháp phổ nguyên tử dựa trên hiện tượng hấp thu hay phát xạ ra các bức xạ

điện từ khi thay đổi nội năng của một nguyên tử ở trạng thái không liên kết (nguyên tử tự
do).
Điều kiện tiên quyết để có phổ nguyên tử là phải cắt đứt tất cả các liên kết hóa học

của nguyên tố chuyển nó sang dạng nguyên tử tự do (Quá trình nguyên tử hóa mẫu), điện
tử hóa trị trong nguyên tử tự do sẽ di chuyển giữa các mức năng lượng khác nhau, từ
trạng thái cơ bản (ground state) có mức năng lượng thấp lên trạng thái kích thích có mức
năng lượng cao hơn bằng các bức xạ có bước sóng nhất định (bước sóng đặc trưng) ứng
đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong q trình phát xạ.
Phổ hấp thu nguyên tử là phổ được sinh ra từ quá trình hấp thu nguyên tử. Phương
pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) đo sự suy giảm cường độ của ánh sáng tới (có bước
sóng đặc trưng cho từng nguyên tố) khi chiếu qua đám hơi nguyên tử ở trạng thái tự do.


Nguyên lý hoạt động:Mẫu (dạng lỏng) → bộ phận phun sương (phân tán)

→ làm khô (nhiệt độ) → bay hơi → cắt đứt liên kết hóa học (nguyên tử hóa mẫu) →

nguyên tử tự do → kích hoạt bằng bức xạ có năng lượng phù hợp.
2.

Cách thực hiện:

Thiết bị đo:
máy Shimadzu 6300


a. Cấu tạo hệ quang phổ nguyên tử:
Nguồn cung cấp tia bức xạ: đèn cathode rỗng HCL (HCL-hollow cothode lamp).

-

Nguồn bức xạ cung cấp bức xạ có năng lượng phù hợp với chuyển dời quang học

cho nguyên tố cần đo (đèn cathode rỗng phát bức xạ vạch)
-

Đèn D2: cung cấp bức xạ liên tục để hiệu chỉnh nền.

-

Chức năng: HCL là nguồn phát bức xạ vạch rất mạnh, được dùng cho hầu hết các

nguyên tố xác định bằng AAS. Trong bài này ta xác định Mn trong nước nền dùng là đèn
đơn nguyên tố, đối với hợp kim (4-5 nguyên tố đó) ta dùng đèn đa nguyên tố.
-

Cấu tạo: cathode của đèn thường là một ống hình trụ, rỗng, làm bằng chính kim

loại có độ tinh khiết cao của một nguyên tố hay hợp kim của một số nguyên tố cần xác
định. Anode làm bằng tungsten. Anode và cathode được đặt trong ống thủy tinh bằng
hình trụ, hàn kín và chứa Ne hay Ar áp suất thấp (1-5 torr). Cửa sổ đèn
truyền suốt với các bức xạ có ích phát ra từ đèn (đối với Mn thì cửa sổ đèn được
làm bằng thạch anh (λ :190−860 nm¿vì thủy tinh có thể lẫn kim loại tạp sẽ hấp thu
bức xạ sinh ra.
-

Nguyên lý hoạt động: điện 1 chiều với thế 300V, áp thế đủ mạnh, Ne bị ion hóa

chạy về cathode, electron chạy về anode. Ion Ne đập vào cathode đánh bật một số nguyên
tử kim loại → hơi nguyên tử, một số nguyên tử kim loại đập vào N e+ ¿vàe

−¿ ¿

¿

được kích hoạt. Nguyên tử ở trạng thái kích hoạt rất không bền (thời gian sống chỉ
khoảng 10−13−10−8 s) và nhanh chóng chuyển về trạng thái cơ bản và hoàn trả năng


lượng dưới dạng bức xạ điện từ - hiện tượng phát xạ. Nguyên tử kích hoạt phát xạ
truyền qua cửa sổ đèn tới bộ phận nguyên tử hóa.
Bộ phận nguyên tử hóa mẫu:

‒

Trong bài này ta sử dụng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa bằng ngọn lửa

AAS (nhiệt độ 1700−31500 C ¿.
‒

Cấu tạo ngọn lửa gồm 3 phần chính:

Non-luminous zone: Phần vỏ của ngọn lửa: nhiệt độ thấp nhất: trong 3 phần
của ngọn lửa , thường có màu vàng và ở đây có thể có nhiều q trình phụ diễn
ra.
Luminous zone: Phần trung tâm của ngọn lửa: Nhiệt độ ở phần này rất cao,
đôi khi không màu hoặc có màu xanh. Hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất ở
đây và hầu như khơng có q trình phụ diễn ra.


Dark zone: Phần tối của ngọn lửa: Nhiệt độ thấp: Hỗn hợp khí được trộn
đều với các hạt sol khí của chất phân tích. Dung mơi hịa tan bay hơi và mẫu
được sấy nóng.

Nhiệt độ ngọn lửa hầu hết phụ thuộc vào bản chất, thành phần của hỗn hợp
khí được đốt cháy để tạo ra ngọn lửa và tốc độ dẫn khí vào đèn,...
-

Đầu đốt: làm bằng hợp kim chịu nhiệt có độ nóng chảy trên 29000 C. Có hai loại

đầu đốt:

C H /khơngkhí ¿
Đầu đốt chịu nhiệt độ thấp ( 2 2
, nhiệt độ 2100−24000 C,
có khe đốt 10 cm. Dùng để nguyên tử hóa các nguyên tố dễ nguyên tử hóa.
Trong bài này là Mn.
C H / N O
Đầu đốt nhiệt độ cao ( 2 2
2
), nhiệt độ 2600−28000 C) có khe đốt
5 cm, dùng để nguyên tử hóa các nguyên tố chịu nhiệt.
-

Bộ phun sương: cấu tạo bền, chống ăn mịn. Khi mẫu đi từ nơi có không gian nhỏ

(bộ phun sương) sang không gian lớn hơn (buồng trộn) thì mẫu bị phân tán thành các hạt
sương nhỏ, chuẩn bị cho q trình ngun tử hóa.
-

Buồng trộn: có chức năng loại bỏ các hạt sương lớn hơn 10 μm. Hạt sương có kích

thước nhỏ sẽ theo dịng khí đến đầu đốt, các hạt sương lớn hơn sẽ rớt lại và được thải ra
ngoài.

-

Chức năng: cung cấp cho detector chùm bức xạ đơn sắc (có độ phân giải đủ cao)

từ nguồn bức xạ đặc trưng (đèn HCL/EDL) hoặc bức xạ khơng đặc trưng (đèn Xe)
-

Ngồi tách sóng để lấy tia trùng với Light Source cịn có chặn các bước sóng hồng

ngoại, tử ngoại khơng ảnh hưởng đến kết quả đo.
-

Trong phổ hấp thu nguyên tử, bộ đơn sắc đặt sau bộ phân ngun tử hóa là vì do

ngọn lửa đốt nóng nguồn năng lượng ở các vị trí không giống nhau chỗ năng lượng cao
chỗ năng lượng thấp nên vơ tình xảy ra kích hoạt thành trạng thái kích thích khơng bền
dẫn tới phát xạ về mức năng lượng cơ bản, mà bức xạ phát ra có thể là những ngun tố
khác khơng mong muốn, cho nên ngồi bức xạ từ Light Source ra thì cịn những bức xạ
phát sinh ở ngun tử hóa, ta khơng kiểm sốt


được, nên ta đặt bộ tách sóng đơn sắc ở sau bộ nguyên tử hóa để nó lọc tách lại
đúng tia trung với Light Source còn những bức xạ khác sẽ bị ngăn lại.
b. Thực hành thao tác:
Thao tác thực hiện bởi giảng viên, sinh viên quan sát:
-

Bật: computer điều khiển máy AAS, máy AAS, máy in, máy nén khí, van khí của

bình C2 H2.

-

Lắp đèn cathode lõm. Khai báo vị trí đèn trên computer.

-

Chọn nguyên tố muốn đo. Máy sẽ tự động dị đèn và điều chỉnh các thơng số theo

điều kiện tiêu chuẩn. Phân tích viên có thể thay đổi các thơng số như bước sóng, cường
độ dịng điện nuôi đèn, khe đo tùy ý.
-

Chọn chế độ đo AAS hay AES,AA hay BG-AA, Slit (khe đo), thời gian đo, số lần

đo, bước sóng cần đo. Trong Calibration: khai báo số điểm dựng đường chuẩn, có kèm
theo nồng độ, dạng phương trình hồi quy.
-

Điều chỉnh lưu lượng khí C2 H2 và khơng khí. Bật lửa bằng hai nút trên thân máy.

-

Phun dung dịch nước cất vào ngọn lửa trong 3 phút.
Thao tác sinh viên thực hiện theo sự hướng dẫn của cán bộ phịng thí nghiệm:

-

Nạp đường chuẩn và tên mẫu cần đo vào máy. Nhấn F3 (auto zero).

-

Đưa dây hút của bộ phận phun sương vào dung dịch chuẩn 1, bộ phun sương sẽ

đưa dung dịch chuẩn 1 vào ngọn lửa.
-

Đo mẫu: đưa dung dịch qua ngọn lửa chờ cho mật độ quang đang tăng liên tục có

dấu hiệu giảm xuống thì nhấn F4 để đo sau khi đo liên tục 3 lần thì lấy mẫu ra khỏi sợi
dây hút.
-

Thực hiện thao tác đo mẫu lần lượt từ mẫu blank, mẫu nồng độ thấp đến mẫu có

nồng độ cao để không cần phải rửa lại hệ thống bằng nước cất (đỡ tốn thời gian). Ta có
thể đo bất kỳ mẫu với nồng độ tùy ý, nhưng sau khi đo phải rửa hệ thống lại bằng nước
cất.


II.

Xử lí – tính tốn kết quả thực nghiệm

1.

Đồ thị chuẩn xác định Mn tại bước sóng λ=279.43 nm
‒ Xem số liệu trong bảng phụ lục bảng 1
‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 279.43 nm với bề
rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp của mỗi bình là 3

ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm
1.6
1.4

A
(Abs)

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

C ( g/mL)

a. Nhận xét
‒

Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tuyến tính chỉ đúng từ nồng độ 2.00 ( μg/mL¿ đến

6.00 (μg/mL¿, đồ thị bắt đầu cong từ nồng độ 8.00 ( μg/mL¿ trở đi do sai lệch định luật
Lambert-Beer.
‒

Nguyên nhân dẫn đến đồ thị khơng tuyến tính này là vì nồng độ các dung dịch

chuẩn quá cao dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, khi đó tia tới chạm tới detector có cường
độ yếu nên dễ bị nhiễu hoặc độ nhạy của detector khơng đủ lớn dẫn đến tín hiệu đo được
thấp hơn so với đường chuẩn. Đồ thị trên có dấu hiệu cong xuống tức là khả năng hấp thụ
giảm dần. Ở các dung dịch có nồng độ thấp như 0.50 ( μg/mL¿ và 1.00 (μg/mL¿, do ta
chọn độ rộng khe là 0.2 nm và do ảnh hưởng của sự cộng quang nên độ hấp thu của các
dung dịch này khơng cịn tuyến tính.
‒

Chọn bề rộng khe là 0.2 nm vì Mn có 3 vạch phổ với 3 bước sóng tương ứng là

279.5 nm, 279.8 nm và 280.1 nm, khoảng cách giữa các bước sóng là 0.3 nm, vì


vậy nếu chọn bề rộng khe là 0.3 nm hoặc lớn hơn thì sẽ gây nhiễu, ảnh hưởng đến
đường chuẩn.
‒

Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 thì đường thẳng A = a + bC (với A là độ hấp thu

(Abs), C là nồng độ (μg/mL¿, a và b là hệ số của đường tuyến tính) chưa phải là 1 đường
tuyến tính, để khảo sát được đồ thị ta cần phải dựng lại đồ thị có khoảng tuyến tính có giá
trị nồng độ từ 2.00 (μg/mL¿ đến 6.00 (μg/mL¿.
b. Xử lý số liệu thực nghiệm
ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C
TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm (ĐÃ HIỆU CHỈNH)
0.9
0.8
f(x) = 0.11301 x + 0.0984599999999999
0.7
R² = 0.998615220772275

A (Abs)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

C ( g/mL)

Đồ thị có dạng A = a + bC.
Tính các hệ số hồi quy a, b:


Với n=5 : (n là số điểm trên đường chuẩn)
5



∑ Ci=20



∑ C2i=90

i=1
5

i=1
5



∑ Ai=2.7525
i=1

a=¿¿

5



∑ A2i=1.6431



∑ Ci Ai=12.14

i=1
5

i=1

5.50

6.00

6.50


¿

90 ×2.7525−20 × 12.14

¿

0.0985

5 × 90−202

5

5

n×

∑ Ci Ai−∑ Ci ×∑ Ai

i=1

b=

5

i=1

i=1
5

n×∑ Ci2−¿¿¿¿

i=1

¿

5× 12.14−20× 2.7525

¿

0.1130

5 × 90−202

Tính phương sai dư
5

5

∑ Ai −∑ Ai−b×∑ Ci Ai
2

S2ℜ=

¿

i=1

i=1

5

i=1

n−2

1.6431−0.0985 ×2.7525−0.1130× 12.14

5−2
¿5.29167 ×10−5

Tính độ lệch chuẩn cho các hệ số hồi quy a và b

√

∑Ci

2

5

i=1

Sa =Sℜ ×

5

i=1

¿ 5.29167

×10−5

n×∑ Ci −¿¿¿¿
2

√

¿

90
5 × 90−202


¿

7.09952×10−5


n

Sb =Sℜ ×

¿

5

√

n×∑

i=1

Ci2−¿¿¿¿

=t
a

×

0.95 ,f

√n

b

0.95 ,f

×

√n

=3.182 ×

√

5 × 90−202

7.09952× 10−5
=3.182

×

−4

=1.01028

√5

1.67337 ×10−5

Sb

ε =t

¿ 5.29167 ×10
¿1.67337 10−5

Sa
ε

5

−5

√ 5

×10

−5

=2.38126

× 10

Vậy phương trình hồi quy:
A=¿0.0985± 0.0001¿+(1130.0 ± 0.2)×10−4 C

2.

Xây dựng đường chuẩn tại bước sóng 403.1 nm với bề rộng khe là 0.2 nm
‒ Xem số liệu trong bảng phụ lục bảng 2
‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 403.1 nm với bề
rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp của mỗi bình là 3


‒

Dựa vào đồ thị trên ta thấy khoảng tuyến tính là từ nồng độ C = 0.5000 ppm đến

nồng độ C = 40.000 ppm, đường biểu diễn khơng tuyến tính từ giá trị nồng độ C >
40.0000ppm.
‒

Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 thì đường thẳng A =bC + a. phải tuyến tính nên ta

cần phải dựng lại đường A = bC + a trong khoảng tuyến tính của nó (0.5000ppm 40.0000ppm)

‒

Từ đồ thị ta thấy đường tuyến tính đi qua gốc tọa độ, có R2 = 0.9997 phù hợp với

tiêu chuẩn ISO 8466 – 1
‒

Phương trình tuyến tính: A=a+bC , trong đó C là nồng độ tính theo μg/mL (ppm); a,

b là các hệ số hồi quy.
a.

Kết quả tính tốn:
Tính các hệ số a, b




Với n =13 (n là số điểm trên đường chuẩn)
13

13

∑ Ci Ai=44,7045

∑ Ci2=3155,250

i=1

i=1

13

13

∑ Ci=129,500

∑ Ai2=0.63377

i=1

i=1

13

∑ Ai=1.8795 ,
i=1

13

13

13

i=1

i=1

i=1

n∑ Ci Ai−∑ Ci ×∑ Ai
b=

13

n

13

∑ Ci − ∑ Ci
2

(

i=1

¿

13× 44,7045−129,500× 1.8795

¿

0.01392 …

i=1

2

)

13 × 3155,250−(129,500)2

13

∑

a=

C2i

13

13

13

×∑ Ai −∑ Ci ×∑Ci Ai

i=1i=1
13

i=1

n ∑ C i2 −

∑ Ci

i=1

¿

3155,250× 1.8795−129,500 × 44,7045

i=1

13

(

)

i =1

13 ×3155,250−(129,500)2

¿

0.00581 …

Tính phương sai dư
13

13

13

i=1

i=1

∑ Ai2−a ∑ Ai −b∑ Ci Ai
S2ℜ=

¿

i=1

n−2

0.63377−(0.00581 … ..)× 1.8795−(0.01392 … ..)× 44,7045
13−2

2


¿1.0927 ×10−5


Độ lệch chuẩn cho các hệ số hồi qui a, b

n

Sb =Sℜ

√

13

n∑

13

C2 −

i=1

i

¿ 7.6540 ×10−5

√

(∑

i=1

C

) ¿√1.0927

×10 ×

i

√

13× 3155,250−(129,500)2

13

∑Ci2
Sa =Sℜ

13

−5

2

√

i=1
13

−5
) ¿ √1.0927 ×10 ×

13

(

13× 3155,250−(129,500) 2 ¿1.1924 ×10−3

∑Ci

n∑ Ci2 −
i=1

2

3155,250

i=1

Khoảng tin cậy

U
√

a =t0.95 , f

U

b =t0.95 , f

Sa

×

=0.064 ×

n√13

√

×

Sb

=0.064 ×

1.1924 × 10−3
7.6540 ×10−5

=2.1166 ×10−5

=1.3586× 10−6

n√13

Phương trình hồi quy:
A=(0.00581± 0.00002)+(0.013930 ± 0.000001) C

b. Nhận xét:
‒

Nguyên nhân dẫn đến đường đồ thị không tuyến tính ở các dung dịch chuẩn có

nồng độ trên 40.0000ppm là do nồng độ quá lớn dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, khi đó
tia tới chạm tới detector có cường độ yếu dẫn đến tín hiệu bị nhiễu, ngồi ra độ nhạy của
detector khơng đủ, dẫn đến tín hiệu đo được thấp hơn so với đường chuẩn. Cụ thể là
đường biểu diễn có xu hướng cong xuống tức là khả năng hấp thu giảm dần.
‒

Dựa vào đồ thị tuyến tính đo tại bước sóng 403.1 nm ta thấy khoảng tuyến tính của

nồng độ từ 0.5000ppm đến 40.0000ppm, khoảng tuyến tính này rộng hơn nhiều so với đo
tại bước sóng 279.5 nm.


‒

Ta thấy các chỉ số SD và %RSD tại bước sóng 403.1 nm nhỏ hơn tại bước sóng

279.5 nm qua đó cho thấy độ nhạy tại bước sóng 403.1 nm cao hơn tại bước sóng
279.5 nm

‒

Vì vây nếu phân tích các mẫu chuẩn có nồng độ cao thì ta nên dựng đường chuẩn

ứng với bước sóng 403.1 nm để thu được kết quả với với độ chính xác cao hơn.
III.

Phụ lục

1.

Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 279.43 nm với

bề rộng khe là 0.2.

Bình

(

C

g/mL)

A (Abs)

%RSD

SD

1

2

0.50
1.00

0.0762
0.1588

1.37
1.08

0.0010
0.0017

3

2.00

0.3196

0.09

0.0003

4

3.00

0.4375

0.18

0.0008

5

4.00

0.5569

0.41

0.0023

6

5.00

0.6702

0.52

0.0035

7

6.00

0.7683

0.23

0.0018

8

8.00

0.9185

0.48

0.0044

9

10.00

1.0387

0.28

0.0029

10

20.00

1.2773

0.62

0.0079

11

30.00

1.3159

0.24

0.0032

12

40.00

1.3366

0.67

0.0090

13

50.00

1.3668

0.33

0.0046


2.

Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn tại bước sóng 403.1 nm với bề

rộng khe là 0.2.

Bình
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

C (ppm)
0.00000
0.50000

1.00000
2.00000
3.00000
4.00000
5.00000
6.00000
8.00000
10.00000
20.00000
30.00000
40.00000
50.00000

A
0.0000
0.0107
0.0190
0.0349
0.0465
0.0609
0.0775
0.0912
0.1182
0.1472
0.2910
0.4241
0.5583
0.6448

% RSD

SD

7.28
3.69
1.91
1.93
0.68
1.49
0.51
1.36
1.03
0.26
0.20
0.79
0.43

0.0008
0.0007
0.0007
0.0009
0.0004
0.0012
0.0005
0.0016
0.0015
0.0008
0.0009
0.0044
0.0028